第2章机械液压型调速器1-2

§2-1 概述

一、概述

20世纪60年代以前我国建成的水电站中，大多是采用机械液压型调速器。尽管目前新建以及设备改造中的大中型水电站一般采用数字式电液调速器，但在我国的小型水电站中，机械液压型调速器仍然占据着主导地位。

我国已生产的或曾经生产过的机械液压型调速器有如下几种类型：

（1）特小型系列：TT-35、TT-75、TT-150、TT-300，工作容积单位为10N·m；

（2）小型系列：YT-3000、YT-6000、YT-10000；

（3）中型系列：YT-18000、YT-30000；

（4）大型系列：T-100、ST-100、ST-150。

尽管机械液压型调速器在型号、结构上多种多样，但从本质上看，它们的组成、原理和功用基本上是相同的。另一方面，电液调速器是在机械液压型调速器上的基础上发展起来的，它们的基本原理是一致的，电液调速器的液压放大等部分与机械液压型调速器的对应部分是类似的。因此，掌握机械液压型调速器的结构、性能和工作原理仍然是非常必要的。在本章中，我们以我国自行设计、制造并在小型水电站中广泛应用的YT小型调速器为典型实例进行分析，并对具有双重调节功能的ST 大型调速器的结构和性能也作简要的介绍。

自动调速器是为实现调节规律而设置的，在水电站的基本任务是调整转速、调整功率。完成这个任务的各种调速器的各个环节的结构形式是十分不同的，但从调节原理图来看，仍能归纳成同一种形式。图2-1为广泛采用作为分析基础的自动调速器方框图。

图2-1是基于“检测偏差、纠正偏差”这样一个原理实现自动调节的。

方框图2-1中环节1为测量（速）环节，输入信号是机组转速，输出信号是转速偏移转换成机械位移。它测量机组每一瞬间的转速，并与额定值进行比较，得到转速偏差的大小和方向，发出调节信号。测量环节通常是各种类型的离心摆，经电气连接与机组轴相连，离心摆转速与机组转速同步或成比例。环节2对测量环节的输出——机械位移XL和其它不同控制作用的信号及反馈信号进行总加，得到综合控制信号Φ。由于离心摆输出功率很小，不足以驱动水轮机导水机构动作，一般需要经过放大。放大环节3将经过环节2综合的信号Φ进行放大，再送给执行环节4，驱动导水机构动作，它是按照测量环节的指令动作的，对水轮机的过流量进行控制，实现转速、功率的自动调节。一般机械液压型调速器采用二级放大，放大环节3和执行环节4由配压阀和接力器组成。硬反馈环节5是用来使调节系统具有调差特性和校正放大环节特性，硬反馈量一般是很小的，由调差机构来实现。软反馈环节6是用来使调节系统稳定，软反馈量一般较大，由缓冲器来实现。

二、YT调速器的组成

图2-1为自动调速器的一般原理方框图，就YT型机械液压调速器而言，其系统结构方框图如图2-2所示。

YT型调速器由以下几部分组成，如图2-3所示。

1．自动调节机构

（1）测速元件——离心摆；

（2）第一级放大元件——引导阀和辅助接力器；

（3）第一级放大的直接反馈机构——硬性局部反馈；

（4）第二级放大元件——主配压阀和主接力器；

（5）第二级放大的跨越反馈机构——永态反馈（硬反馈，也称调差机构）和暂态反馈（软反馈，也称缓冲装置）。

2．控制机构

（1）转速调整机构；

（2）开度机构；

（3）手动启动、停机操作机构；

（4）切换装置。

3．油压设备

（1）回油箱、压力油箱和中间油罐；

（2）螺杆油泵及其控制用的电接点压力表；

（3）补气阀、止回阀和安全阀。

4．保护装置

（1）转速调整与开度机构的保护限位开关；

（2）紧急停机电磁阀；

（3）油压装置事故低油压压力信号器。

5．监视仪表及其他

（1）转速调整与开度机构指示表；

（2）转速表及油压表；

（3）滤油器及路等。

§2-2 测量（速）环节

测量（速）环节是水轮机调速器系统主要环节之一，用于测量水轮发电机组每一瞬间的转速（频率）对额定转速的偏差，并以位移作为输出，输出信号经放大后去操纵导水机构。

速度测量可以根据不同的原理，有不同的结构形式。如果用测量转动重锤的离心力来测量速度，有离心摆；如果根据液压原理测量速度，有液压摆；如果根据电气原理测量速度，有电气摆。最为广泛应用的是离心（飞）摆。机械液压性调速器都是用离心（飞）摆作为测量环节。

离心摆由安装在其顶上的电动机驱动，YT型调速器的驱动电机通常为异步电动机。电动机由与水轮发电机同轴的永磁发电机供电，或由水轮发电机输出端母线通过电压互感器供电，因此离心摆的转速与水轮发电机组的转速成正比。当机组转速变化时，离心摆转速也随之按比例相应变化。

一．离心摆的结构及工作原理

YT型调速器采用菱形钢带式离心摆，其结构如图2-4所示。

离心摆由上支持块5、钢带6、重块8、弹簧12、下支持块13、转动套14、导板7、调整螺母11、等主要零件所组成。上支持块被固定在离心摆电动机的转轴上，重块有两个，它们通过钢带上与上支持块相连，下与下支持块相连。钢带是由两层等长的钢带组成，实际工作的仅是外面一层，而内层作备用，只有当外层钢带断裂时，内层钢带才投入工作。上下支持块间装有弹簧和调整螺母，调节调整螺母可以改变弹簧力，使离心摆在额定转速时，弹簧力与离心力平衡。上支持块下部两侧有导板，当离心摆转速超出工作范围时，重块上的限位螺钉将限位在导板上，防止荷重部分继续向外张开，使钢带不致于因过载而断裂。下支持块压住钢带下端直接与引导阀联成一体，引导阀的转动套既是离心摆的轴，又由离心摆带动，高速连续地旋转着。

当离心摆转动时，荷重所产生的离心力，使转动套和下支持块一起向上移动，直到弹簧的作用力与离心力相互平衡为止。当机组负荷减少，离心摆转速增加，重块就向外张开，使转动套上移，发出关小导叶开度的调节信号；当机组负荷增加，离心摆转速下降，重块就向内收缩，使转动套向下移动，发出开大导叶开度的调节信号。

由以上调节过程可以看到，离心摆是可以不断地测量机组的瞬时转速并与额定转速相互比较，得出转速偏差的大小和方向，使转动套向上或向下移动，发出操作导水机构的调节信号。所以转动套位置是由被测量的转速大小来确定的，有一转速，就一定有一转动套位置与它对应。

二．离心摆的特性

1．YT型调速器离心摆的设计参数

额定转速nr：1450r/min，转速变化为额定转速的±25%，即额定转速的75%~125%；

最高转速nmax：1810r/min；

最低转速nmin：1090 r/min；

转动套全行程移动量：15mm，即对应额定转速位置的±7.5mm；

调整螺母：最小调整量为1/4周，每调整一周，相应转速变化额定转速的5%，对应转动套位移1.5mm.。

离心摆是机械液压型调速器的关键部件，制造厂已经严格调整，安装和检修时，一般不要分解，只作整体的拆除和检查。

2．离心摆运动方程

如图2-5所示，取弹簧自由状态时的底面位置A—A为基准面，沿轴线建立向上的坐标轴L。离心摆在额定转速nr下稳定旋转时，弹簧被压缩的长度为L0，这也就是转动套上升的位移。如果转速再上升Δn，弹簧底面将再向上移动+ΔL；反之，如果转速下降Δn，弹簧底面将下移－ΔL。转速发生变化时，离心力与弹簧力不平衡引起转动套上移、下降，由牛顿第二定律有以下的运动方程式：

                                     （2-1）

式中

    mL——所有运动部件折算至转动套的质量；

    F——折算至转动套轴向的离心力；

    Fr——运动阻力，包括弹簧力和摩擦力；

L——转动套位移量，L＝L0＋ΔL；

d2（L）/dt2——质量mL的运动加速度。

由于弹簧力与位移L成正比，润滑良好的液动摩擦力与运动速度（dL/dt）成正比。若以额定转速nr时的L0为基准，用转速偏差的相对量x＝Δn/nr表示转速的变化，再根据离心摆的结构参数进行推导，式（2-1）可表示为：

（2-2） 

式中

    T1、T2——与结构有关的时间常数；

    Kf ——离心摆的放大系数。

从式（2-2）可知，离心摆是一个二阶环节，它决定了当离心摆输入信号为x时，输出信号ΔL随时间变化的规律。

一般而言，与离心摆转动套一起运动的各部件的质量都很小，且与离心摆运动时产生的离心力、弹簧力相比，离心摆的惯性力、液摩阻力也很小。与结构有关的时间常数T1、T2都可以忽略，即T1、T2≈0，从而式（2-2）可简化为ΔL＝Kf x。因此离心摆可以看作一个比例环节，近似认为离心摆对任何突变形式的输入信号x都毫不延时地给出稳定的输出信号ΔL。

3．离心摆静特性方程

运动方程式（2-2）适用于离心摆的各种运动状态，当转速稳定不变时，转动套不再移动，并稳定在某个位置上，运动方程变为：

（2-3）

这便是离心摆的静态方程式，它表明在稳定状态下，转动套的位移△L与转速偏差x成正比。由于转速偏差习惯上用百分数表达，式（2-3）可改写成

（2-4）

放大系数K，数值上对应每1%的转速变化所引起的转动套位移（mm），其单位为mm/%。离心摆静态方程式表示了一条直线，如图2-6，称为离心摆静特性曲线。

三．离心摆静特性

离心摆的静特性是指当机组稳定平衡时，离心摆的转速n与转动套的行程L之间的对应关系，用L＝

f（n）表示，如图2-6所示。它是评价离心摆工作质量的性能指标之一。

1．离心摆的放大系数Kf 

离心摆放大系数是指输入转速的变化相对量为1%时，转动套输出的位移值，用Kf表示，其表达式为：

（2-5）

式中

nmax——离心摆工作范围内的最高转速；

nmin——离心摆工作范围内的最低转速；

Lmax——离心摆最高转速时转动套的位置；

Lmin——离心摆最低转速时转动套的位置；

如图2-6所示，离心摆放大系数

（2-6）

此值为YT型调速器的设计值。即表示离心摆转速变化为额定值的1%时，转动套的位移量为0.3mm。

放大系数Kf越大，说明在同样的转速变化条件下，转动套的位移量越大，故离心摆的灵敏度越高。工程上对离心摆放大系数有严格的要求，例如，国家规定在额定转速的±2%范围内，放大系数的实测值偏差不得超过设计值的±5%。对YT型调速器而言，实测值Kf为0.285~0.315mm/%。

2．离心摆的单位不均衡度δf 

离心摆的单位不均衡度是指转动套位移1mm时，离心摆转速变化的相对值，用δf表示，其表达式为：

（2-7）

对YT型调速器而言，Kf =0.3mm/%，则δf =3.33%/mm，即离心摆转速变化为额定值的3.33%时，转动套才移动1mm。

单位不均衡度δf越小，放大系数Kf就越大，故离心摆的灵敏度越高。

3．离心摆的转速死区i xf 

由于离心摆运动时受干摩擦力的影响，要使转动套移动，首先必须克服零件间的摩擦力，如果离心摆转速变化很小，则无法克服这种摩擦力，转动套不能移动，即出现了转速死区，用i xf表示。这样，离心摆的静特性就不是一条曲线，而是一条曲线带，如图2-7所示。

转速死区的大小通常由试验测得。通过试验，测出转速上升和下降时的两条曲线，以往返同一行程所对应的两个转速差的相对值表示转速死区i xf。i xf的定义：指令信号恒定，不起调速作用的两个转速之间的最大区域，以转速变化的百分数来表示，即

（2-8）

转速死区越大，灵敏度越差。转速死区的存在对调节系统是十分不利的，它使调节系统在一定指令信号时，出现某一范围内的转速摆动。因此，对离心摆转速死区规定不得超过某一定值。国家规定，在额定转速10%范围内，离心摆的最大转速死区不得大于调速器转速死区的三分之一。对于大型机械调速器要求i xf ＜0.033%，对于中型机械调速器i xf ≤0.05%，对于小型机械调速器i xf ≤0.06%，对于特小型机械调速器i xf ≤0.07%。

四．离心摆静特性试验

1．试验目的与要求

静特性试验的目的在于测定离心摆的静特性曲线，检查它的工作参数及运行质量。

离心摆在制造厂已经做过静特性试验及有关检查，一般情况下电站可以直接安装使用，但在拆开修理之后必须进行静特性试验，以保证工作参数及运行质量符合国家标准。本试验介绍的方法为制造厂家的专用方法，电站试验时一般没有专用设备，但可以照此模仿。

2．试验设备

图2-8  离心摆静特性试验设备示意图

1—电动机；2—离心摆；3—转动套；4—引导阀；5—针塞；6—回复杠杆；

7—试验接力器壳体；8—试验接力器活塞；9—弹簧

离心摆静特性试验一般在特制的试验台上进行，实验装置如图2-8所示，主要设备有：

•变频装置。应有较高的稳定性，其输出电流的频率波动要小，并便于微量调整。

•频率计（表）。应使用0.2级的指针式或数字式频率表（计），用以测定离心摆电动机的电源频率。

•百分表。百分表用于测量转动套的位移，一般使用0~30mm量程的百分表。

3．试验方法

（1）实验前的准备

•调试好变频装置，并由专人负责频率的调节工作。

•装设好频率表（计）、百分表，并由专人读、记。

•划分测试点。在额定转速（频率）±10%范围内，离心摆静特性的测试点不得少于10个。一般每次改变频率1Hz为一个测试点，相应于转速变化2%。

（2）试验步骤与操作

•启动变频装置，缓慢地升、降频率，检查试验设备运行的稳定性。

•操作变频装置，使频率调整到50Hz，待离心摆稳定后，装好百分表，并调到量程的中间值（该值通常假定为位移零值）。

•操作变频装置，使离心摆转速降至额定值的%（即频率为44.5Hz），并做好测量记录准备。

•操作变频装置缓慢将频率升高到45Hz，待转动稳定后记录频率和百分表读数，此为试验的第一个测试点。以后频率每上升1Hz，待稳定后记录频率和百分表读数，直到频率至55Hz为止。

试验过程中频率上升、下降往返各一次，为一组数据。值得注意的是，在上升或下降的单程测试中，频率只能单方向变化，不允许往返操作。为保证试验精度，整个试验应重复2~3次。各次测试的结果应相近，如差异过大则须找出不稳定的原因并设法排除，重新进行试验。

4．试验成果的记录、整理

（1）试验中频率上升及下降时各测试点的数据记录如表2-1所示。

（2）根据实测数据绘制离心摆静特性曲线，绘制时要注意频率上升与下降曲线的区别，如有1/4的测试点不在曲线上则此次试验无效。

（3）由实测的静特性曲线求离心摆的放大系数Kf 、转速死区i xf ，并检查曲线是否接近直线。最后按国家标准判别离心摆的质量是否符合技术规范的要求。

5．举例

表2-1为YT-6000调速器离心摆静特性试验的实测数据，试确定离心摆的基本数据并加以分析。

表2-1                               离心摆静特性试验记录

（2）离心摆放大系数为

国家规定在额定转速的±2%范围内，放大系数的实测值偏差不得超过设计值的±5%。据此规定，YT调速器离心摆的Kf值如果在0.285mm/%~0.315mm/%之间，可视为合格品。显然，本例计算的离心摆的Kf是符合这一要求的，故Kf符合要求。

（3）离心摆的转速死区为

根据国家规定，对于YT小型调速器，当i xf ≤0.06%时，符合要求。显然，本例计算的i xf满足国家的规定与要求。

综上所述，由于实测的各值均基本符合规定，故离心摆合格。